深海履帶式集礦機打滑及路徑跟蹤控制問題研究.pdf

1、履帶式行走機構由于其自身特殊的結構特點經常被應用在軍事、農業(yè)以及采礦領域。對于深海多金屬結核及鈷結殼采礦而言，眾多國家都相繼研制出了海底履帶式采礦系統(tǒng)。履帶式集礦機作為深海采礦系統(tǒng)的關鍵子系統(tǒng)，其作業(yè)環(huán)境下的運動控制問題成為研究熱點。
　　集礦機行走在海底極其稀軟的底質上，其行走動力來自于履帶與海底軟底質之間的相互剪切作用。由于軟底質固有的土力學特性，集礦機海底作業(yè)過程中履帶會產生一定的打滑作用，打滑率的變化將直接影響到集礦機海底

2、行走動力性能。同時，集礦機海底作業(yè)過程需按照預先設定路徑進行開采行走。但由于受到布放偏差、海底軟底質、洋流等作用的影響，集礦機實際行走路徑與預定路徑存在一定的偏差。為保證集礦效率，路徑跟蹤問題成為集礦機作業(yè)過程關鍵運動控制問題之一。對深海采礦系統(tǒng)而言，為保證整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，集礦機與采礦船之間的隨動控制問題也尤為關鍵。本文針對上述三種關鍵運動控制問題，提出了相應的控制策略和算法，并通過仿真和實驗驗證了算法的可行性和正確性。
　　論

3、文主要研究成果如下:
　　1.以履帶車輛地面力學特性研究為理論基礎，利用以膨潤土和水的混合物作為海底模擬軟底質，推導出海底稀軟底質壓力—沉陷關系和剪切應力—剪切位置關系計算公式，建立了集礦機驅動力與打滑率之間的關系。
　　通過對集礦機行走過程各運動阻力的分析，建立了完善的集礦機力學和運動學模型。提出了方便研究的簡化力學模型，并對簡化可能導致的誤差進行了分析，為履帶式集礦機運動控制研究提供了理論基礎。
　　2.基于驅動力

4、與打滑率之間的關系，提出了勻底質條件下最佳打滑率判斷標準。通過對集礦機牽引效率分析，建立了非勻底質條件下最佳打滑率辨識方法。建立了履帶式集礦機液壓驅動模型，通過仿真驗證了模型的正確性。提出了模糊PID打滑控制策略，建立了打滑控制系統(tǒng)模型。通過對勻底質和非勻底質條件下打滑仿真結果的分析，證明了控制策略的有效性和穩(wěn)定性。
　　3.通過對集礦機路徑跟蹤控制問題的描述，建立了集礦機路徑偏差模型。綜合考慮了集礦機行走動力約束、跟蹤路徑平滑性

5、以及跟蹤時間最優(yōu)三個因素，提出了以三次樣條曲線為跟蹤路徑的時間最優(yōu)控制策略。通過構造李雅普諾夫函數，提出了滿足算法穩(wěn)定性要求，針對由于布放偏差導致的算法不穩(wěn)定的四種情況，提出了相應的控制策略。建立了路徑跟蹤控制系統(tǒng)模型，通過對同一路徑不同跟蹤系數仿真結果對比分析，確定了0.66為最佳路徑跟蹤系數。通過對直線、圓形、實際開采路徑的跟蹤控制仿真結果分析，驗證了控制算法的正確性。通過與PID控制算法的仿真結果的對比，驗證了算法的時間最優(yōu)特性。

6、
　　4.以我國中試1000m海試總體方案為研究基礎，分析比較了橫縱兩種折返作業(yè)方式的優(yōu)缺點。出于整體系統(tǒng)運動復雜性以及對海底環(huán)境破壞等因素的考慮，確定縱向折返為整體系統(tǒng)折返方式。分析了整體系統(tǒng)中采礦船、中間倉、集礦機各自的運動安全域，考慮到輸送軟管馬鞍構形的要求，最終確定采礦船與集礦機投影水平距離240m為整體系統(tǒng)聯動控制目標。建立了整體聯動控制系統(tǒng)，并分別在順流和逆流條件下對整體系統(tǒng)聯動進行了仿真，仿真結果表明整體系統(tǒng)能夠滿足